(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ポリアニリンを含むｎ型光蓄電極と、
ｐ型光蓄電極と、
前記ｎ型光蓄電極及び前記ｐ型光蓄電極に接し、光が照射されると前記ｎ型光蓄電極から離脱し前記ｐ型光蓄電極により吸蔵される陰イオンを含む電解質と、
を有し、
前記ｎ型光蓄電極における前記陰イオンの離脱及び前記ｐ型光蓄電極における前記陰イオンの吸蔵により光蓄電を行うことを特徴とするロッキングチェア型光蓄電池。
【請求項２】
前記電解質は、硫酸イオン又は過塩素酸イオンを含有することを特徴とする請求項１に記載のロッキングチェア型光蓄電池。
【請求項３】
前記ｎ型光蓄電極は、酸化チタンを含むことを特徴とする請求項１又は２に記載のロッキングチェア型光蓄電池。
【請求項４】
前記ｐ型光蓄電極は、ポリチオフェンを含むことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載のロッキングチェア型光蓄電池。
【請求項５】
一方の表面上に前記ｎ型光蓄電極及び前記ｐ型光蓄電極が配置された基板を有することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載のロッキングチェア型光蓄電池。
【請求項６】
前記基板の表面の前記ｎ型光蓄電極及び前記ｐ型光蓄電極が配置された部分は、厚さ方向に対して傾斜した斜面となっていることを特徴とする請求項５に記載のロッキングチェア型光蓄電池。
【請求項７】
互いに平行に配置された第１及び第２の透明導電膜を有し、
前記ｎ型光蓄電極は、前記第１の透明導電膜の前記第２の透明導電膜側の表面上に形成され、
前記ｐ型光蓄電極は、前記第２の透明導電膜の前記第１の透明導電膜側の表面上に形成されていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載のロッキングチェア型光蓄電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、自然エネルギの利用に好適なロッキングチェア型光蓄電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、光エネルギを電気エネルギとして使用するために、光電変換を行う装置等と蓄電池とを組み合わせた光蓄電システムが提案されている。また、簡素化のために光発電及び蓄電を１つの電極が行うように構成された２電極の光蓄電池も提案されている。例えば、光蓄電及び蓄電の機能を合わせ持つ単一物質からなる電極が特許文献１及び２に記載され、光発電する物質が蓄電電極上に担持されて構成された複合電極が特許文献３に記載されている。
【０００３】
しかしながら、従来の２電極の光蓄電池では、対極における放電ロスが大きく、十分な光電変換効率を得ることができない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００２−１２４３０７号公報
【特許文献２】特開平１０−２０８７８２号公報
【特許文献３】特開平９−６３６５７号公報
【特許文献４】特開２００６−１９１８９号公報
【特許文献５】特開２００６−１７２７５８号公報
【特許文献６】特開２００４−７１６８２号公報
【特許文献７】特表２００９−５２０８６１号公報
【特許文献８】特開２００８−２４３５７３号公報
【特許文献９】特開２００９−１８７７６０号公報
【特許文献１０】米国特許第５７６２４４４号
【特許文献１１】米国特許第５８０７４１１号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明の目的は、光電変換効率を向上することができるロッキングチェア型光蓄電池を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明に係るロッキングチェア型光蓄電池は、ポリアニリンを含むｎ型光蓄電極と、ｐ型光蓄電極と、前記ｎ型光蓄電極及び前記ｐ型光蓄電極に接し、光が照射されると前記ｎ型光蓄電極から離脱し前記ｐ型光蓄電極により吸蔵される陰イオンを含む電解質と、を有し、前記ｎ型光蓄電極における前記陰イオンの離脱及び前記ｐ型光蓄電極における前記陰イオンの吸蔵により光蓄電を行うことを特徴とする。ここで、ｎ型光蓄電極とは、半導体的性質としてｎ型を示し、所定の電解質と接触した状態で半導体のエネルギギャップ以上のエネルギの光が照射されると、当該電極に予め吸蔵されていた陰イオンを離脱することで蓄電反応を起こす電極である。また、ｐ型光蓄電極とは、半導体的性質としてｐ型を示し、所定の電解質と接触した状態で半導体のエネルギギャップ以上のエネルギの光が照射されると、電解質中の陰イオンを当該電極内に吸蔵することで蓄電反応を起こす電極である。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、ｎ型光蓄電極及びｐ型光蓄電極の協働作用により、光電変換効率を向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】第１の実施形態に係るロッキングチェア型光蓄電池の構造を示す図である。
【図２】第１の実施形態の使用方法の一例を示す図である。
【図３】第１の実施形態における蓄電の機構を示す図である。
【図４】第２の実施形態に係るロッキングチェア型光蓄電池の構造を示す図である。
【図５】実験で使用した電極を含む積層体を示す図である。
【図６】実験で作製した光蓄電池を示す図である。
【図７】放電電流の測定結果を示すグラフである。
【図８】蓄電された電荷の量Ｑphの変化を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、本発明の実施形態について添付の図面を参照して具体的に説明する。
【００１０】
（第１の実施形態）
先ず、第１の実施形態について説明する。図１は、本発明の第１の実施形態に係るロッキングチェア型光蓄電池の構造を示す図である。図２は、第１の実施形態に係るロッキングチェア型光蓄電池の使用方法の一例を示す図である。
【００１１】
本実施形態に係るロッキングチェア型光蓄電池では、電解質３が充填されたパッケージ４内にｎ型光蓄電極１及びｐ型光蓄電極２が挿入されている。ｎ型光蓄電極１の材料としては、例えば酸化チタン及びポリアニリンの複合材料が挙げられる。ｐ型光蓄電極２の材料としては、例えばポリチオフェンが挙げられる。電解質３としては、例えば過塩素酸イオン又は硫酸イオンを含む水系電解質又は有機溶媒電解質が挙げられる。即ち、過塩素酸水溶液、過塩素酸リチウムのアセトニトリル溶液、希硫酸等を電解質３として用いることができる。
【００１２】
そして、このように構成されたロッキングチェア型光蓄電池のｎ型光蓄電極１とｐ型光蓄電極２との間には、例えば、図２（ａ）に示すように、電球等の負荷１１及びスイッチ１２が接続される。そして、スイッチ１２を非導通の状態にしながら、ｎ型光蓄電極１及びｐ型光蓄電極２に太陽光等の光を照射すると、ｎ型光蓄電極１において陰イオンの離脱が生じ、ｐ型光蓄電極２において陰イオンの吸蔵が生じる。つまり、図３に示すように、ｎ型光蓄電極１に吸蔵されていた陰イオンＡintが離脱して電解質３中で陰イオンＡ-ionとなり、電解質３中の陰イオンＡ-ionがｐ型光蓄電極２に吸蔵されて陰イオンＡintとなる。また、このようにして、蓄電が行われる。
【００１３】
一方、放電を行う場合には、図２（ｂ）に示すように、スイッチ１２を導通の状態とする。この結果、ｐ型光蓄電極２に吸蔵されていた陰イオンＡintが離脱して電解質３中で陰イオンＡ-ionとなり、電解質３中の陰イオンＡ-ionがｎ型光蓄電極１に吸蔵されて陰イオンＡintとなる。そして、これらに伴い電流が発生する。
【００１４】
このような本実施形態によれば、対極が不要であるため、従来のような対極における放電ロスを防止することができる。従って、光電変換効率を向上させることができる。また、ｎ型光蓄電極１及びｐ型光蓄電極２間を移動する活イオンは１種類であるため、電解質３の組成を簡素なものとすることができ、固体の電解質３を用いることも可能となる。更に、従来の対極を備えた光蓄電池には、多量のイオン及び支持電解質が必要とされるが、これに比べて本実施形態ではイオンの量を低減しても蓄電及び放電を確実に行うことができる。従って、電解質３の量を少量にして光蓄電池を小型化、フィルム化することが可能である。
【００１５】
（第２の実施形態）
次に、第２の実施形態について説明する。図４は、本発明の第２の実施形態に係るロッキングチェア型光蓄電池の構造を示す図である。なお、図４（ｂ）は、図４（ａ）中のＩ−Ｉ線に沿った断面図である。
【００１６】
第２の実施形態に係るロッキングチェア型光蓄電池では、図４（ｂ）に示すように、基板５０の表面にＶ字型の複数の溝５１ａが形成されている。これらの溝５１ａは互いに同一の方向（第１の方向）に延びており、また、第１の方向に直交する第２の方向に等間隔で溝５１ａが配置されている。そして、各溝５１ａにおいて、一方の斜面上にｎ型光蓄電極５１が形成され、他方の斜面上にｐ型光蓄電極５２が形成されている。図４（ａ）に示すように、ｎ型光蓄電極５１及びｐ型光蓄電極５２は交互に配列している。ｎ型光蓄電極５１の材料としては、例えば、酸化チタン多孔体及びポリアニリンの複合材料が用いられる。また、ｐ型光蓄電極５２の材料としては、例えば、ポリチオフェンが用いられる。更に、ｎ型光蓄電極５１及びｐ型光蓄電極５２と接する電解質５３も設けられている。
【００１７】
このような第２の実施形態では、溝５１ａに向けて光を照射すれば、ｎ型光蓄電極５１及びｐ型光蓄電極５２の双方に光が照射されることとなる。また、ｎ型光蓄電極５１及びｐ型光蓄電極５２が溝５１ａの斜面に沿って形成されているため、基板５０の表面が平坦になっている場合と比較して、光が照射される部分の面積を大きく確保することができる。なお、酸化チタン多孔体及びポリアニリンの複合材料、並びにポリチオフェンの表面にはナノレベルの凹凸が存在するため、ｎ型光蓄電極５１及びｐ型光蓄電極５２の表面が光軸に対して傾斜していても、この傾斜に伴う光吸収率の低下は僅かである。従って、第２の実施形態によれば、小さな面積で大きな電流を得ることができる。
【００１８】
なお、複数の溝５１ａが延びる方向は互いに同一である必要はなく、また、複数の５１ａが単一の方向に並んでいる必要もない。また、溝５１ａの断面形状がＶ字型である必要もない。更に、基板５１の表面に溝５１ａが形成されずに、基板５１の平坦な表面上にｎ型光蓄電極５１及びｐ型光蓄電極５２が配置されていてもよい。
【００１９】
次に、本願発明者らが実際に行った実験について説明する。
【００２０】
先ず、図５（ａ）及び（ｂ）に示すように、透明導電膜であるＦＴＯ（フッ素ドープ酸化スズ）膜２３ｎ及びｎ型光蓄電極２１を含む積層体２０ｎ、並びにＦＴＯ膜２３ｐ及びｐ型光蓄電極２２を含む積層体２０ｐを形成した。
【００２１】
積層体２０ｎの形成では、先ず、粒径が３０ｎｍ程度の酸化チタンのナノ粒子を懸濁させた水溶液に界面活性剤及び分散剤を加えて水性ペーストを作製した。次いで、この水性ペーストをＦＴＯ膜２３ｎ上に部分的に塗布し、５００℃程度で焼成して酸化チタンの多孔質膜を形成した。その後、多孔質膜の部分が浸るようにＦＴＯ膜２３ｎをアニリン（Ｃ6Ｈ5ＮＨ2）の硫酸水溶液に入れて電気化学的に重合させ、酸化チタンの多孔質体及びポリアニリンを含むｎ型光蓄電極２１を形成した。
【００２２】
また、積層体２０ｐの形成では、先ず、ＦＴＯ膜２３ｐをチオフェン（Ｃ4Ｈ4Ｓ）の有機溶媒溶液に入れて電気化学的に重合させ、ＦＴＯ膜２３ｐ上に部分的にポリアニリンを含むｐ型光蓄電極２２を形成した。有機溶媒溶液としては、アセトニトリル又はベンゾニトリルを用いることができ、この実験では、ベンゾニトリルを用いた。
【００２３】
そして、積層体２０ｎ及び積層体２０ｐを用いて、図６に示す構造の光蓄電池を作製した。即ち、電解質用空隙２４を確保しながら、ｎ型光蓄電極２１及びｐ型光蓄電極２２が電解質用空隙２４側を向くように積層体２０及び積層体２０ｐを重ね合わせた。このとき、ＦＴＯ膜２３ｎ及びＦＴＯ膜２３ｐの厚さ方向に直交する方向では、ｎ型光蓄電極２１及びｐ型光蓄電極２２の位置をずらした。また、電解質用空隙２４には過塩素酸リチウムのアセトニトリル溶液を電解質用空隙２４に封入し、この内部に基準極３３を挿入した。更に、ＦＴＯ膜２３ｎとＦＴＯ膜２３ｐとの間に、抵抗値が１ｋΩの負荷３１及びスイッチ３２を接続した。また、基準極３３とＦＴＯ膜２３ｎとの間に電圧計３４を接続した。更に、負荷３１と並列に電圧計３５を接続した。
【００２４】
光蓄電池の作製後に、次のような処理を順に行った。
（１）スイッチ３２を非導通状態として、模擬太陽光（ＡＭ１．５）をｎ型光蓄電極２１及びｐ型光蓄電極２２に１５分間、照射した。
（２）１分間、暗下に放置した。
（３）スイッチ３２を導通状態にして、６０分間、放電電流を測定した。
（４）スイッチ３２を非導通状態として、１５分間、暗下に放置した。
（５）１分間、暗下に放置した。
（６）スイッチ３２を導通状態にして、６０分間、放電電流を測定した。
なお、放電電流の測定では、負荷３１の電圧降下を電圧計３５にて測定し、これを電流値に換算した。
【００２５】
このような処理により得られた放電電流の測定結果を図７に示す。図７中の実線（光照射あり）が上記の（３）で測定した結果を示し、破線（光照射なし）が上記の（６）で測定した結果を示す。そして、これらの放電電流から放電された電荷の量が求められ、この電荷の量の差から、模擬太陽光（ＡＭ１．５）の照射によって蓄電された電荷の量Ｑph（ｍＣ・ｃｍ-2）を算出した。
【００２６】
また、このような電荷の量Ｑphの測定を繰り返し行ったところ、図８に示すように、１回目では５ｍＣ・ｃｍ-2を超える値が得られたが、徐々に低下し、約１．２ｍＣ・ｃｍ-2まで低下したところで、電荷の量Ｑphはほとんど低下しなくなった（実施例）。
【００２７】
更に、比較のために、積層体２０ｐに代えてＦＴＯ膜２３ｐを用いた光蓄電池も作製した。つまり、ＦＴＯ膜２３ｐを対極として用いた光蓄電池も作製した。そして、この光蓄電池について同様の実験を行ったところ、図８に示すように、電荷の量Ｑphは０．０６ｍＣ・ｃｍ-2で安定していた（比較例）。
【００２８】
この実験から、ｐ型光蓄電極２２を用いた場合には、約２０倍もの性能向上が見込まれるといえる。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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